米糠发酵富集γ-氨基丁酸技术研究

γ-氨基丁酸（Gamma aminobutyric acid，GABA）又名4-氨基丁酸和γ-氨酪酸，是由谷氨酸（Glutamic acid，Glu）经过谷氨酸脱羧酶（Glutamic acid decarboxylase，GAD）催化而来[1-2]，是一种天然活性成分，广泛分布于动植物体内。GABA是中枢神经系统中很重要的抑制性神经递质，是一种天然存在的非蛋白组成氨基酸，生理活性有促进脑部血流、增加生长激素分泌、调节血压、抑制脂肪肝及肥胖症、改善更年期综合症、活化肝功能、促进睡眠、促进乙醇代谢、美容润肤等多种功效[3-5]，具有重要的生理功能。

1 GABA国内外现状

GABA在食品中的研究和应用始于20世纪80年代中期。GABA的应用前景和生理功能受到世界越来越多的关注，并被应用于食品、医药和化妆品中。欧美和日本等少数发达国家在其生理功效方面的研究处于领先水平。日本厚生省、欧洲食品安全局（European Food Safety Agency，EFSA）和美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）承认乳酸菌发酵生产的GABA为天然食品添加剂[6]，在欧美及日本等发达国家，天然GABA已被应用多个食品领域，如食品调味品、烘焙食品和饮料中，其应用产品以日本茶饮料Gabaron为代表。利用乳酸菌等制作的富含GABA的饮料以及食品配料，都可以用于镇静、催眠、降血压、延缓脑衰老等的功能食品[7]。

而与国外相比，在我国有关GABA食品的研究开发及报道较少。2009年，中国卫生部批准此类GABA为新资源食品。作为新资源食品，GABA越来越引起国内和国外人群的关注，对GABA的活性成分的进一步深入探讨，具有巨大的发展潜力和应用价值。

2 GABA的生理功能

GABA具有抑制脂肪肝及肥胖症、促进酒精代谢、镇静神经和抗焦虑、提高记忆力、改善更年期综合症、活化肝功能、改善睡眠、肾机能和肝机能改善等活性[8]。在神经系统的发育过程中，GABA也具有重要的营养作用，GABA还可以有效地抑制谷氨酸脱羧，促使氨和谷氨酸结合生成尿素，更多的排出体外，降低血氨的浓度。

2.1 降低血压

高血压是18种最常见慢性病之一，我国成人高血压患病率已达30%以上，但高血压人群的知晓率、控制率却很低，分别只有36%和28%。在我国北方地区，18岁以上的成人每5个人中至少有1人患高血压，超过半数的心血管病发病与高血压相关。现代医学已经证明GABA中枢神经系统中很重要的抑制性神经递质，可以防止神经细胞过热，相应地降低神经元活性等；对动物（尤其是哺乳动物）的心血管活动有着及其重要的调节作用，原理是通过控制中枢神经系统达到降血压的效果。GABA是许多降血压药物（如黄芪、红曲霉等）和食品的主要成分之一[9]。在哺乳动物体内，GABA与对交感神经末梢起抑制作用的受体相结合，促进血管扩张，从而降低血压，通过多项人群试验证明，补充GABA可以降低高血压患者血压。

2.2 改善睡眠

睡眠质量不佳不仅会妨碍人们正常生活、工作、学习和健康，而且还会加重或诱发心悸、胸痹、眩晕、头痛、中风病等病症。顽固性的失眠，给病人带来长期的痛苦，甚至形成对安眠药物的依赖，而长期服用安眠药物又可引起医源性疾病[10-11]。GABA中的营养因子，可以调节神经中一些酶、蛋白的表达，通过抑制GABA的分解，以此提高其在脑内的含量，在一定程度上增加慢波睡眠时间，对自主神经高级中枢和植物神经系统进行有效的调节，提高患者大脑神经细胞自我修复能力和自身免疫力，从而有效的改善睡眠。

2.3 抑制脂肪肝及肥胖症

脂肪肝正严重威胁国人的健康，成为仅次于病毒性肝炎的第二大肝病，发病率在不断升高，且发病年龄日趋年轻化。脂肪肝同时会引发如胰腺炎、肝硬化、糖尿病、高脂血症、高血压、冠状动脉粥样硬化性心脏病等诸多疾病。很多降脂药物和食品中都含有GABA成分。

3 GABA的制备方法和技术原理

GABA主要分布在哺乳动物的神经组织中。由于GABA天然含量低，从天然动植物组织中大量分离提取非常困难。目前，分离提取GABA的方法主要有3种，分别为：微生物发酵法、植物富集法和化学合成法[12-13]。

微生物发酵法可以通过许多微生物生成GABA，如酵母、霉菌和细菌等。但微生物发酵法由于其产品安全性高、含量高、原料来源广泛、工业化生产技术成熟的特点，仍是目前制备GABA的理想方法，具有广阔的工业化应用前景。

通过植物富集法得到的GABA属于天然产物，安全性高，但由于GABA在动植物体内存在量较少，故通过此方法得到的GABA产量较低。

化学合成法分离提取得到的纯品不属于天然产物，成本高，操作时条件剧烈，残留的化学物质量多。通过此法得到的GABA不适合在食品配料、饮料及保健品中应用，而是更多的应用于化工和医药领域。

米糠中保留了稻米中大部分的营养物质，其蛋白质的含量较高，且氨基酸组成丰富，营养全面，尤其是Glu的含量很高。本课题应用混合乳酸菌对米糠进行液体发酵，将米糠中的Glu进行生物转化为高质量浓度的GABA，采用闪蒸浓缩技术、微胶囊化技术对发酵液中的关键成分GABA进行富集，制成GABA富集粉，滤渣通过采用超微粉碎技术制成米糠纤维粉，并分别利用GABA富集粉和米糠纤维粉加工成米糠枣汁功能饮料和米糠（纤维）微粉，从而使米糠资源得到充分的利用。

集成生物发酵技术、闪蒸浓缩技术、微胶囊化技术和超微粉碎技术对米糠进行综合利用，对其关键功效成分GABA进行分离及富集，确定生物发酵技术、闪蒸浓缩技术、微胶囊化技术和超微粉碎技术应用过程中的工艺参数，并开发出精深加工产品。采用生物发酵技术对米糠中的Glu进行生物转化，并采用闪蒸浓缩技术及微胶囊化技术对目标产物GABA进行富集。采用超微粉碎技术对生物发酵后的滤渣进行粉碎处理。确定米糠（纤维）微粉生产过程中的工艺参数。

4 GABA在食品工业中的应用

日本关于GABA的生理机能、保健功能、来源与提取等方面的研究比较深入。如日本Oryza公司是目前世界上最大的米胚芽GABA生产商，其产品包括5%、50%、90%这3种纯度。20世纪九十年代中期，日本ORYZA油化学公司开发出一种名为GABA RICE GERM的保健食品添加剂，日本食品科学技术学会报道了该产品在改善失眠、抑郁和更年期综合症等方面的显著效果[14-15]。

在我国，目前米糠的开发利用还不充分，稻谷加工的副产品米胚芽营养全面，但其分离难度较高，所以许多米厂未作分离而留在米糠中作饲料用。黄美娥等从蕨菜叶、茎中分离提取GABA，测得其中分别含0.319%和0.141%的GABA。陈颖[16]等则开发出GABA产量达到9.22 g/kg的米糠。GABA的技术研究、保健功能研究及应用研究在我国已引起重视。

GABA作为活性因子，具有降低血压、抗除抑郁、增强脑功能和长期记忆、利尿、强肝、健肾等生理活性，将其应用于功能性食品中将大有可为。已有报道指出，茶和大米胚芽通过自然的发酵过程可以富集GABA。除此之外，豆制品、西红柿、小球藻等天然食品素材通过加工可以富集GABA。虽然GABA在自然界的分布很广泛，但将其开发作为保健食品功能因子无疑还需大量的工作。作为食品的开发，既要有药食同源的思想，又要区分开药与食的概念。在食品中应用GABA，绝不是对药用GABA的简单添加，而是要从制备这个源头开始，利用天然物质及采用生物技术方法，生产出可安全用于食品并可被视为天然添加剂的食用GABA。总之，以米糠为原料，采用生物发酵技术、闪蒸浓缩技术、微胶囊化技术和超微粉碎技术等现代多种高新技术对米糠进行深加工，制成多种GABA富集化食品，对增加GABA富集化食品种类及扩大GABA在食品中的应用范围，具有重要的意义。同时，通过对米糠进行精深加工，实现了米糠资源的综合利用，具有广阔的市场前景，还可获得较好的社会效益和经济效益。

5 市场需求分析

据统计，目前全球各类GABA产品总产能约6万吨，其中约10%属于微生物法或植物富集法生产的可以添加至食品中的天然GABA。我国天然GABA纯品的产能已超过1 000 t。

日本厚生省允许含GABA食品具降血压和健脑等健康宣称。EFSA虽然允许食物中添加GABA，规定GABA的膳食摄入量上限为550 mg/d，但是其主要功能特性尚需严格的人群试验结果加以佐证。FDA根据毒理学实验结果指出食品中添加GABA是安全的，使用范围包含饮料、咖啡、茶和口香糖等。我国卫生部规定GABA摄入量不得超过500 mg/d，使用范围为饮料、可可制品、巧克力及其饮料、糖果、焙烤食品和膨化食品。这些规定的出台，为GABA相关应用产品的研发提供了政策引导[16-18]。

我国添加GABA相关产品总市值约25亿元～30亿元，市场仍处于缓慢增长期，消费者对此类产品还处于认知阶段。目前GABA在国内市场售价仍然较高，但GABA原料市场在国内外已呈现了产能过剩的态势，必须积极开发下游相关产品，开拓市场。我国关于GABA相关产品的开发研究及加工利用还处于起步阶段，根据GABA的生理功能特点，可开发多种形式功能保健食品，满足不同人群的需要也是非常有意义的[19]。

6 在产业链发展中的地位与作用

我国是世界上最大的稻谷生产和消费国，年产稻谷约2亿吨。糙米中约64%的营养物质都积聚于占糙米重量10%的糠层和胚芽中。通常，糠层和胚芽在糙米加工成精米的过程中被丢弃，相当于每年丢弃了960万吨的高营养物质，其价值超过1 000亿元，造成宝贵资源的极大浪费[20]。

GABA的多种保健和医疗功效，成为人类健康保证的重要生物源，不论是解决人类日益扩大的亚健康人群健康问题，还是满足人类食物保证、生态环境保护的健康需求，GABA研究与产品开发都是极具较好发展前景的。

因此，在传统的稻谷加工基础上，结合现代生物技术对米糠进行深加工，富集关键功效成分GABA，利用其营养丰富、保健作用强的特点将其开发成多种功能性食品，对稻谷加工后的副产物米糠进行综合利用，将提高产品的附加值，延长稻谷加工的产业链，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1]陈恒文,林碧敏,钟杨生,等.γ-氨基丁酸活性功能研究综述[J].广东蚕业,2011(4):27-32

[2]Grazyna Rajkowska,José J Miguel-Hidalgo,Jinrong Wei,et al.Morphometric evidence for neuronal and glial prefrontal cell pathology in major depression[J].Biological Psychiatry,1999,45(9):1085-1098

[3]管娜娜,张晖,王立郭,等.米糠中γ-氨基丁酸的富集及纯化工艺研究[J].食品工业科技,2011(6):292-295

[4]Joy Shilpa,MaryAbraham Pretty,MalatAnitha,etal.Gamma aminobutyric acid B and 5-hydroxy tryptamine 2A receptors func－tional regulation during enhanced liver cell proliferation by GABA and 5-HT chitosan nanoparticles treatment[J].European Journal of Pharmacology,2013,28(5):154-163

[5]林亲录,李丽辉,王婧,等.从米糠发酵液中筛选产γ-氨基丁酸的菌株[J].食品与机械,2008(3):6-9

[6]Yukio Oomori,Hiroshi Murabayashi,Hirofumi Kuramoto,et al.Gamma-aminobutyric acid B Receptor Immunoreactivity in the Mouse Adrenal Medulla[J].The Anatomical Record,2013(12):971-978

[7]耿程欣.富含γ-氨基丁酸的可碾白活性化糙米及米糠咀嚼片生产工艺研究[D].南京:南京农业大学,2015

[8]Juliana C Perry,Cássia T Bergamaschi,Ruy R Campos,et al.Interconnectivity of sympathetic and sleep networks is mediated through reduction of gamma aminobutyric acidergic inhibition in the paraventricular nucleus[J].Journal of Sleep Research,2014,12:168-175

[9]管娜娜.利用米糠内源酶生物转化生产γ-氨基丁酸及纯化研究[D].无锡:江南大学,2010

[10]郑晓晨,陈野,宋佳,等.米糠发酵生产富集γ-氨基丁酸的研究[J].中国食品添加剂,2013(s1):50-56

[11]Yasuo Watanabe,Kohki Kawata,Seiya Watanabe,et al.Monitoring Technology for Gamma-Aminobutyric acid Production in Polished Mochi Barley Grains using a Carbon Dioxide Sensor[J].Journal of Food Science,2015(10):1418-1424

[12]徐浩.米糠资源研究与应用[D].合肥:安徽农业大学,2015

[13]杨叶,陈野,张宁,等.米糠发酵生产γ-氨基丁酸的研究[C].广州:中国农业工程学会议论文集,2012

[14]Vanaja Paul,E Harihara Subramanian.Evidence for an involvement of nitric oxide and gamma aminobutyric acid in the anticonvulsant action of l-arginine on picrotoxin-induced convulsions in rats[J].Pharmacology,Biochemistry and Behavior,2002(2):515-519

[15]李桐徽.米糠中γ-氨基丁酸的提取与应用 [J].食品安全导刊,2017(24):87-88

[16]陈颖,沈艳,姚惠源.利用米糠内源性蛋白酶和谷氨酸脱羧酶制备γ-氨基丁酸[J].粮食与饲料工业,2006(2):23-24

[17]Jie Jia,Yong-Shan Hu,Yi Wu,et al.Pre-ischemic treadmill training affects glutamate and gamma aminobutyric acid levels in the striatal dialysate of a rat model of cerebral ischemia[J].Life Sciences,2009,15(1):505-511

[18]Po W Wang,Napapon Sailasuta,Rebecca A Chandler,et al.Magnetic resonance spectroscopic measurement of cerebral gamma-aminobutyric acid concentrations in patients with bipolar disorders[J].Acta Neuropsychiatrica,2006,32(1):120-126

[19]王姣斐.压差式膨化前处理米糠及其发酵生产γ-氨基丁酸的研究[M].天津:天津科技大学,2014

[20]Teggi R,Piccioni L O,Martino G,et al.Stiff-person syndrome with acute recurrent peripheral vertigo:possible evidence of gamma aminobutyric acid as a neurotransmitter in the vestibular periphery[J].Journal of Laryngology and Otology,2007,22:636-638